Амперометрический наноструктурный электрод

Полезная модель относится к области электрохимического анализа растворов, а именно к созданию сенсора на основе нанокомпозитов для обнаружения нитрат-ионов в водных растворах.

Технический результат заключается в изготовлении электродной системы, позволяющей повысить чувствительность к обнаружению нитрат-ионов в водных средах в 1.5-2 раза.

В качестве основы чувствительного элемента электрода используется нанокомпозитный материал, содержащий наночастицы металла в ионообменной мембране МК-40, синтезированный путем циклической обработки мембраны солью меди и раствором восстановителя, и который с помощью токопроводящего клея зафиксирован на графитовом токоподводе.

Полезная модель относится к области электрохимического анализа растворов, а именно к созданию сенсора на основе нанокомпозитов для обнаружения нитрат-ионов в водных растворах, а также к производству катализаторов для переработки нитрат-ионов.

Известно использование в качестве основы чувствительного элемента электрода, чувствительного к ионам серебра или никеля, композиционного электропроводящего материала содержащего ультрадисперсные частицы серебра или никеля в матрице полимера, полученного химическим осаждением частиц серебра на поверхность микрогранул термопластичного полимера (полистерол) или полученного путем нанесения ультрадисперсных частиц никеля химическим восстановлением на поверхности гранул полистерола, с последующим горячим прессованием (патенты РФ 2339027, 2339026, G01N 27/333, 2008). Электрод на основе данных материалов состоит из контакта - медной проволоки, прикрепленной к внутренней поверхности композиционного материала, внутреннего и внешнего тефлонового корпуса, в который вставлен композиционный материал, места контактов обработаны индий-галлиевым сплавом. Процесс изготовления самого материала и электрода достаточно сложен (многостадийный) и может быть использован только для определении ионов серебра или никеля.

Известен биосенсор для определения и измерения нитрат-ионов. Метод работы биосенсора основан на флуоресцентных свойствах фрагмента рецептора молекулы. Концентрацию нитрат-ионов определяют по уменьшению флуоресценции (чем больше концентрация нитрат-ионов, тем меньше флуоресценция). Данный метод имеет слишком сложное техническое оформление. Измерения отнимают много времени. (Nitrate sensor. United States Patent. Ser. No. 7,160,690 B2. Int. Cl. G01 n 33/53. 2007).

Известны ионоселективные электроды для потенциометрического определения активности нитрат-ионов в водных растворах, содержащих азотную кислоту. В основном они могут быть применены в растворах, рН которых больше 1. Для расширения диапазона функционирования нитратного электрода в области рН меньше 1 в известный состав мембраны нитратного электрода вводят анионоселективный лиганд - n-трифтороцетилбензойной кислоты. Для изготовления мембраны готовят прозрачную гомогенную смесь из растворителя, поливинилхлорида, пластификатора и анионоселективного лиганда. Выливают ее в чашку Петри и после испарения растворителя получают прозрачную эластичную пленку. Вырезают диски, приклеивают их к торцам поливинилхлоридных трубок и заливают внутрь электродов раствор нитрата натрия. Между измерениями они хранятся в этом же растворе. Недостатком данного электрода является искажение теоретической нитратной функции при концентрации азотной кислоты выше 0.2 моль/кг Н₂O (Патент РФ 2059236, G01N 27/333, 1996).

Известен электрод для измерения концентрации нитрат-ионов в водных растворах. Электрод включает органическую сенсорную фазу, содержащую ионообменный материал с высокомолекулярной солью аммония, растворенной в производном нитрофенола. Для приготовления сенсорной фазы требуются дорогостоящие реактивы, (патент US 3671413 МПК G01N 27/46, 1972).

Задачей является создание наноструктурного электрода на основе ионообменной мембраны, чувствительного к определению нитрат-ионов.

Технический результат заключается в изготовлении электродной системы, позволяющей повысить чувствительность к обнаружению нитрат-ионов в водных растворах и упростить ее конструкцию.

Технический результат достигается тем, что в качестве основы чувствительного элемента электрода используется нанокомпозитный материал, содержащий наночастицы металла в ионообменной мембране МК-40, синтезированный путем циклической обработки мембраны солью меди и раствором восстановителя, и который с помощью токопроводящего клея зафиксирован на графитовом токоподводе. Вся конструкция помещена в корпус.

Амперометрический наноструктурный электрод изображен на фиг.1, на фиг.2 - микрофотография поверхности мембраны МК-40 с содержанием меди, на фиг.3 - приведена зависимость аналитического сигнала(ток пика вольамперной кривой) наноструктурного электрода (1) и компактного медного электрода (2) от концентрации нитрат-ионов в водном растворе.

Электрод состоит из корпуса 1, нанокомпозита 2, с помощью токопроводящего клея 3 закрепленного на токоподводе 4.

При химическом осаждении меди в ионообменную мембрану образуются наночастицы металла (патент РФ 2355471, МПК B01J 39/08, 2009). На фиг.2 приведена микрофотография поверхности мембраны МК-40 после 5 циклов насыщения-восстановления. Размер частиц по данным рентгенографического анализа составляет 28±5 нм.

Процесс электровосстановления нитрат-ионов интенсифицируется наноструктурной медью, осажденной в ионообменную мембрану МК-40. Восстановление нитрат-ионов протекает по реакции: . Фиг.3 демонстрирует линейную зависимость плотности тока от концентрации нитратов c(NaNO₃) в диапазоне от 0.001 моль/л до 0.010 моль/л.

Величина амперометрического сигнала от электродного наноматериала в растворе, содержащем нитрат-ионы, возрастает в 1.5-2 раза в сравнении с компактным медным электродом.

Пример 1. В ионообменную мембрану МК-40 химически осаждалась медь, в качестве восстановителя использовали 6% раствор дитионита натрия. Электродный наноматериал помещали на токоподвод, состоящий из спектрально чистого графита, и фиксировали с помощью токопроводящего клея. В растворе, содержащем нитрат-ионы, получали вольтамперную кривую электровосстановления нитрат-ионов в диапазоне потенциалов от - 0.4 В до - 1.5 В. По величине тока пика на вольтамперной кривой определяли концентрацию нитрат-ионов. Использование такого наноматериала увеличивает аналитический сигнал приблизительно в 2 раза.

Пример 2. В отличии от примера 1, в качестве восстановителя использовали 6% щелочной раствор гидразина.

Аналитический сигнал увеличивается в 1,5 раза.

Амперометрический наноструктурный электрод, включающий в качестве основы чувствительного элемента электрода нанокомпозитный материал, содержащий наночастицы металла в ионообменной мембране МК-40, синтезированный путем циклической обработки мембраны солью меди и раствором восстановителя, графитовый токоподвод, на котором с помощью токопроводящего клея зафиксирован нанокомпозитный материал.